分布式接触网雷电在线监测及故障定位系统研发及应用

2021-11-20 · 阅读336

分布式接触网智能防雷在线监测及故障定位系统研发及应用

方志国，李红梅，戚广枫，肖晓晖

引言.

我国幅员辽阔，电气化铁路横跨东西，纵贯南北，线路途经区域地形地貌千差万别，而全国各地的雷电活动差异较大,东南沿海地区是雷电活动比.较频繁的多雷区和重雷区，尤其是山区，雷害危险更加突出，因此从技术经济合理性的角度出发，采取差异化的工程防雷措施尤为重要。在本课题研究之前，由于没有有效的检测手段直接采集到牵引网线路.上的雷电特征数据，对接触网受雷电干扰的性质、机理(直击雷或感应雷，或雷电途径)等不太明确，因此电气化铁路防雷工程设计的差异化并没有实质性体现。

根据RAMS理论，在雷击次数一定或雷害无法完全避免的情况下，为了最大程度地减少雷电危害,可针对既有设备,从尽快修复接触网供电设备、减少停电停运时间方面采取有效措施亦具有非常重要的现实意义。雷电所致接触网故障，通常是接触网_上大量并联的绝缘子的某一处表面闪络导致一个接触网电气单元内 的整体绝缘性能下降而无法恢复供电,但闪络的故障绝缘子表面的雷电流经过痕迹极不明显，很难查找故障位置，在夜间或恶劣天气情况下则更加困难，所以判定雷电及短路所致的绝缘破坏位置，也具有十分重要的意义。

1国内外雷电监测现状

国外关于雷电流的研究开始较早，最早研制成功并用于雷电参数测量的测量仪器是采用Pockels的磁钢棒测量法。随着国内外学者对获取雷电流参数方法的研究越来越多、越来越深入，逐渐形成了多种雷电流测量方法，主要有磁钢棒法、阴极射线示波器、雷电定位系统、磁带法、基于罗氏线圈的雷电流测量方法。20世纪90年代以来，随着星载雷电探测手段的不断发展,人造卫星技术为进行大范围探测雷电提供了理想的平台，出现了许多新的技术手段和方法，如全球定位系统(GPS)用于时差法定位的时间同步;数字信号处理技术用于闪电回击波形的数字分析;卫星通信用于探测仪与中心站点之间的高速数据传输等。鉴于雷电监测定位技术的重要应用价值，目前世界一些国家如美国、 加拿大、法国、日本、巴西等都相继建成了闪电定位（如下图所示）：

在我国，早在20世纪70年代，中科院空间中心就已开始了雷电定位及其参数方面的相关研究。1992年起，中科院空间中心开始对GPS的新时差系统进行研究，成功研制了“ADTD雷电监测定位系统”，并于2000年在深圳、福建、江西、湖南和青海等省市进行了小规模试验，并取得成功。目前系统化的或推广应用中的雷电监测系统研究主要集中于雷电大气中直接入地点雷电流位置的判定和电流幅值水平的评估,多用于雷闪密度评估统计分析,并不是针对电网线路中的雷电流特征数据采集,因此无法用于确定铁路牵引网的线路结构是否会改变雷电流耦合或传输路径以及雷电流分布(通过牵引网入地的路径)，对于牵引网雷电干扰评估的参考价值十分有限。

2总体技术思路及系统构成方案.中为防雷https://www.zvspd.com

2.1 总体技术思路

(1)针对高铁接触网系统，研发在高铁供电大电流干扰下可正常运行的高速采集系统,获取雷电在接触网系统上形成瞬态电流的波形数据,并通，过高精授时系统获得雷击电流的形成时间。
(2)编制远程控制接触网系统的上位机软件，实现主机通过GPRS网络控制系统提取系统监测数据和设备运行状态的功能。
(3)获取雷电流波形数据，在数据充足的条件下，建立接触网雷电信息档案，通过特征识别，.识别和判定雷电性质。

(4)通过多台设备获取雷电流形成的时间信息，结合行波法分析计算雷击电流的大致位置。

2.2接触网雷电在线监测及故障定位系统构成
系统构成设计如下图所示。系统中的监测终端分布安装于需要监测的输电线路上，采集故障信息;数据中心设置于研究分析中心，收集故障信息并诊断故障;工作站是各区域运行维护的管理部门，用于查看故障信息并指导巡线、检修和防措。
当接触网遭受雷击时，在线监测装置中的传感器模块将采集到一个与雷电流同相且幅值与其大小成正比的电压信号，该信号将传输至核心电路板，通过AD采集芯片进行数据采集;然后通过总线将采样数据输送给核心数据处理单元进行处理，与此同时授时模块提供精准的时钟信号;经过处理后的采样数据存储在储存单元中，同时通过数据传输模块将采样数据传送给远程终端管理系统，由其进行存储及处理;远程终端管理系统也可以向在线监测装置发送执行相关任务的指令;供电模块为整个在线监测装置供应电能。

3关键技术创新

(1)实现接触网网上雷电流信号的直接采集，并可采集到因故障电流产生的网上故障行波信号，并可完整存储、远程传输雷电流相关信号，系统主机获得完整的雷电流波形、绝对时间参数等特征数据，可靠地实现接触网雷电信号采集与定位功能。解决了牵引网线路即接触网上雷电特征参数无法采集和雷电致接触网绝缘故障时位置难以精确判定的技术难题，且为接触网雷电性质的判别提供了基础工具、手段，为进一步研究牵引网雷电形成规律和机理提供了思路。

(2)本系统可根据所采集的故障电流行波信号，运用A型B型行波测距法的组合式定位方法，克服单一行波测距方法带来的行波速度固有误差等不足,通过综合分析采集存储的数据得出故障点位置，误差精度完全满足工程化要求，达到设计方案和验证的预定目标。应用本装置可实现精确的故障定位功能，改进既有接触网故障点标定精度的不足，为运营设备的抢修和管理决策提供有效的指导意见，为雷击事故分析和处理提供科学依据。

(3)设备结构合理，安装使用简便，工艺先进，工程化措施齐备，可适应接触网严苛的工作环境，满足接触网线路工作环境下长期稳定在线运行要求。系统克服了线路上常规在线监测设备无法适应牵引网电流剧烈波动带来电源获取难题，可实现全天候24h连续运行要求(免维护);耐受接触网短路或雷电短路电流冲击，可靠性高。

4系统主要技术指标

以高性能Cyclone iv FPGA、高速125M AD和SDRAM高速大容量存储为基础的接触网雷电波形采集及故障定位系统，具有高可靠、高精度、超高采样速率的技术特点，其主要技术指标如下:
(1)接触网雷电流终端采集装置最大采样速率可达100 M/s;
(2)接触网雷电流采集装置具备实现基于GPRS的远程信号传输功能;
(3)主机与配套的雷电流在线监测终端装置之间能可靠地完成雷电流数据采集、存储、无线发送与接收，以及上位机的波形显示;

(4)雷电流终端采集装置可在不影响供电主回路的前提下完成现场安装，满足工程化要求;
(5)基于Matlab软件平台和小波分析方法,实现对测试数据的性质判定分析与故障闪络位置的雷电信号定位,采集的雷电信号波形能够区分直击雷和感应雷,雷击闪络故障时的定位误差范围在左右一个接触网跨距之内;

(6)满足接触网线路工作环境下可持续稳定长期在线运行:设备工作条件适应所安装接触网线路的工作使用环境;以网.上牵引负荷电流作为设备电源充电来源，保证不间断稳定供电;持续运行满足全天候24 h连续工作且免维修;耐受接触网短

路或雷电短路电流冲击，可无干扰地正常工作。

5接触网网上信号实测数据分析

分布式接触网雷电在线监测及故障定位系统于2015年7月在某铁路上安装并试运行，图5为系统安装示意图。

2016年夏季, 3台雷电流在线监测装置共传回数百个有效数据文件，根据采集信号波峰个数不同，可将采集的雷电流信号分为单波峰信号、2波峰信号、3波峰信号、4波峰信号、5波峰信号和6波峰信号等。

5.1 单波峰信号分析.
利用系统采集并传回的单波峰信号有效文件，从样本中选取2个典型单波峰信号样本，从特征参数以及时程曲线2方面对信号进行分析。
(1)单波峰典型信号特征参数如表1所示。

（2）单波峰典型信号时程曲线如图 6 所示。

5.2 两波峰信号分析
利用系统采集并传回的 2 波峰信号有效文件，从样本中选取 2 个典型 2 波峰信号样本，从特征参数以及时程曲线 2 个方面对信号进行分析。
（1）波峰典型信号特征参数如表 2 所示。

图 7 2 波峰典型信号样本时程曲线

5.3 测距方法与定位功能验证
利用某铁路工程验收时进行的短路试验，临时安装本故障定位系统，测试验证所采用的接触网行波故障点测距方法的合理性和可行性，并测试其精度是否满足实际需要。设备安装如图 8 所示

图 8 设备安装示意图

根据试验中采集到的有效信号数据，经数据处理后分别采用 A 型行波测距法（单端行波故障测距）和 B 型行波测距法（双端行波故障测距）进行分析，综合测距误差仅为 0.019 km，满足实际工程要求。

6 结语

分布式接触网雷电在线监测及故障定位系统能够获得接触网上雷电特征参数，针对牵引网线路上强度高、瞬态变化剧烈的雷电信号，面对电气化铁路接触网安全可靠性要求高、线路结构明显有异于普通电力系统线路、牵引网线路雷电信息数据目前几乎为空白的现实，尤其是在工作环境苛刻的条件下达到了研究目标，并完成了工程化的相关工艺措施研究，技术和装置成果在运营和试验线路上进行了可靠试挂和试验，实现了网上雷电流性质的初步确定，提出了有关接触网雷电性质判定的基本原理，同时初步实现了雷电致接触网绝缘故障时的位置标定，弥补了既有设备短路故障点标定精度不足缺陷，可为运营管理科学决策提供依据，具有一定推广价值。

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